专利名称：电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池。
背景技术：
单气室固体燃料物燃料电池(简称为SC-S0FC)是一种全新结构的燃料电池，与传 统的固体氧化物燃料电池(简称为S0FC)工作原理不同，它是利用电池阴阳极对工作气体的 选择催化性来工作的。电池的阴阳电极处于同一气室，除了具有传统的固体氧化物燃料电 池高效、环保等优点外，还具有结构简单，对密封要求低，耐热、耐机械冲击性能好，容易实 现多种小规模的电池组设计等优点。近几年来，已逐渐成为固体氧化物燃料电池领域的一 个研究热点。现有单气室固体燃料物燃料电池中一种很重要的结构就是电极分布在电解质同 一个平面上的同面型电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池。这种电池的最大的缺点就是 电解质的欧姆阻抗占了电池阻抗很大的比例，极大的影响电池的输出性能。为了减少欧姆 损失，通常采用两种方法来减小电池的欧姆电阻，一种是减小两电极之间的距离，缩短电流 的流通路径，另一种是增加电解质的厚度，扩展电流的流通路径。但是，这两种方法都带来 了一些问题。首先，对于这种结构的电池，电极间的距离很难达到微米量级，同时减小电极 的间距，一方面会增加短路的机会；另一方面也会减小电极对工作气体的选择催化性，降低 了电池开路电压；其次，增加电解质的厚度，不但增大了电池的重量，也会导致了电解质的 有效面积，特别是侧面面积不能充分利用，导致电解质材料的浪费。
发明内容
本发明为了解决现有电极分布在电解质同一面的共面单气室固体氧化物燃料物 电池欧姆电阻大、输出性能较低的问题，从而提供一种电极面相互垂直的电解质支撑单气 室固体氧化物燃料电池。电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池，它由电解质支撑体、 阳极和阴极组成，阳极和阴极分别固定在电解质支撑体相互垂直的两个面上。本发明通过改变传统同面电池阴极与阳极在电解质上的分布，缩短电极间电流流 动的路径，从而减小了电解质的欧姆阻抗，达到了提高了电池的输出性能的目的。
图1是本发明具体实施方式
一的结构示意图；图2是具体实施方式
二中电解质支 撑体为梯形台体的结构示意图；图3和图4是具体实施方式
二中电解质支撑体为圆柱体的 结构示意图；图5是具体实施方式
一中在矩形电解质支撑体上形成串联电池组的示意图； 图6是在具体实施方式
一中所述在矩形电解质支撑体上，使用同面结构和电极面相互垂直 结构形成串联电池组的示意图；图7是具体实施方式
一中所述在梯形电解质支撑体上形成 串联电池组的示意图；图8是具体实施方式
一中所述在梯形电解质支撑体上使用同面结构和电极面相互垂直结构形成串联电池组的示意图；图9是具体实施方式
一中所述在圆柱形 电解质支撑体上形成串联电池组的示意图；图10是本发明的电池的电流路径示意图；图 11是传统的同面型电解质支撑固体氧化物燃料电池做燃料电池的电流路径示意图；图12 是现有同面型固体燃料物燃料电池和电极面相互垂直的单气室固体氧化物燃料电池700°C 的阻抗谱；图13为现有同面型固体燃料物燃料电池和电极面相互垂直的单气室固体氧化 物燃料电池放电曲线图。
具体实施例方式具体实施方式
一、电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池，它 由电解质支撑体、阳极和阴极组成，阳极和阴极分别固定在电解质支撑体相互垂直的两个 面上。本实施方式中的电池的制作工艺为一、将电解质粉装入模具内，在l(T2000MPa 的压强下压制成方形坯体，并在1300°C 1500°C条件下烧结4h，即得到电解质支撑体1 ； 二、将配制好的阳极浆料均勻涂覆于电解质的支撑体的一个平面上，在1150°C 1350°C条 件下烧结2、h，再将配制好的阴极浆料均勻涂覆于电解质支撑体的另一个与阳极所在平面 垂直相交的平面上，在1000°C 1200°C条件下烧结2、h，即得到本实施方式所述的电池。本实施方式的结构更易于构造电池组，并且作为现有同面电池的有益补充，也可 与共面结构在同一个电解质支撑体上混用，从而达到充分利用电解质块的表面积，构造结 构更简单、紧凑的电池组的目的。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的电极面相互垂直的电 解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，电解质支撑体1为长方体、圆柱体或台 体。本实施方式中的电解质支撑体1也可为梯形台体，电极分布如图2所示。针对不同的电解质支撑体1条件下，具体构造电池组有如下形式
结合图5说明本实施方式，本实施方式在块状电解质支撑体1上沿着一个棱边在其两 侧的两个面上分别布置电池的阳极和阴极，形成一组单电池。通过耐高温的导线4将前一 组单电池中的阴极与后一组单电池中的阳极连接，形成2至4个单电池的串联电池组。结合图6说明本实施方式，本实施方式在电解质支撑体1的表面上平行布置电池 的阳极和阴极形成1-4个同面型的单电池，同时利用电解质支撑体1的直角面，形成1至2 个电极面相互垂直的单电池，通过耐高温的导线4将前一组单电池中的阴极与后一组单电 池中的阳极连接，形成2至6个单电池的串联电池组。结合图7说明本实施方式，本实施方式是在台阶形的电解质支撑体1上，沿着一个 棱边布置电池的阳极和阴极，形成一组单电池。通过耐高温的导线4将前一组单电池中的 阴极与后一组单电池中的阳极连接，形成串联电池组。结合图8说明本实施方式，本实施方式是在台阶形的电解质支撑体1的平面上平 行布置电池的阳极和阴极形成1-5个同面型单电池，同时利用电解质支撑体上的直角面形 成1-5个电极面相互垂直的单电池，通过耐高温的导线4将前一组单电池中的阴极与后一 组单电池中的阳极连接，形成2-10个单电池的串联电池组。结合图9说明本实施方式，本实施方式是在圆柱形电解质支撑体1的两个底面上，沿着棱边，布置电池的阳极和阴极，形成一组单电池，通过耐高温的导线4将前一组单电池 中的阴极与后一组单电池中的阳极连接，形成了电池组。
具体实施方式
三、结合图广9说明本具体实施方式
，本实施方式中与具体实施方 式一或二所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，阳 极2和阴极3的截面形状为方形、圆形或圆环形。本实施方式可以满足不同结构电池的需要。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
三所述的电极面相互垂直的 电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，电解质支撑体1的材质为掺杂量为 19Γ30% (摩尔)碱土氧化物掺杂氧化锆、掺杂量为1% 20% (摩尔)稀土氧化物掺杂氧化锆、 掺杂量为1°/Γ50% (摩尔)碱土氧化物掺杂氧化铈或掺杂量为1°/Γ50% (摩尔)稀土氧化物掺 杂氧化铈中的一种。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
四所述的电极面相互垂直的电 解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，碱土氧化物掺杂氧化锆或碱土氧化物掺 杂氧化铈中的碱土氧化物均为氧化镁、氧化钙、氧化锶或氧化钡中的一种。
具体实施方式
六、本具体实施方式
与具体实施方式
四所述的电极面相互垂直的电 解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，稀土氧化物掺杂氧化锆或稀土氧化物掺 杂氧化铈中的稀土氧化物均为氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧 化钬、氧化铒、氧化镝、氧化铥、氧化镱、氧化钇或氧化钪中的一种。
具体实施方式
七、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的电极面相互垂直的电 解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，阳极2的浆料按重量份数比由3 7份的 阳极原料和 、份的粘结剂制成。
具体实施方式
八、本具体实施方式
与具体实施方式
七所述的电极面相互垂直的电 解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，阳极原料为氧化亚镍、氧化铜、氧化钴或 氧化铁中的一种；粘结剂按重量份数比由7、. 5份松油醇和3、. 5份乙基纤维素的制成。
具体实施方式
九、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的电极面相互垂直的电 解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，阴极3的浆料按重量份数比由4飞份的 阴极材料和6、份的粘结剂制成。
具体实施方式
十、本具体实施方式
与具体实施方式
九所述的电极面相互垂直的电 解质支撑单气室固体氧化物燃料电池的区别在于，阴极材料为复合氧化物，所述复合氧化 物的通式为ABO3或A2BO4,其中的A为镧系稀土元素或碱土元素，所述镧系稀土为钇、镧、铈、 镨、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、铥、镱或镥，碱土为钙、锶或钡；B为过渡金属元素，所述过渡金 属为锰、铁、钴、镍、铜、钛、钒或锌，0为氧元素；粘结剂按重量份数比由7、. 5份的松油醇和 3、. 5的乙基纤维素的制成。以下通过具体试验验证本发明的效果
选用本发明制备的直角面型电解质支撑固体氧化物燃料电池(Α型电池)和传统的同面 型电解质支撑固体氧化物燃料电池做燃料电池(B型电池)性能的对比型实验。如图10和 图11中的电流(M)的示意图可以清楚的看出电极排列在直角面上的结构明显的缩短电极 之间电流流过的路径，从而达到减小电池电解质的欧姆电阻的目的。本实验中两种电池所采用的电解质为YSZ，阳极为NiO+YSZ的复合阳极，阴极为
5LaQ.7Sr(1.3Mn03+SDC的复合阴极。具体的制备步骤同具体实施方式
一。制得的电解质立方支 撑体的长13. 8 mm，宽为10 mm，高为3 mm，阳极和阴极的长和宽都分别为13.8 mm，2 mm。A 型电池和B型电池唯一的区别就是在A型电池上，电极是对称的分布在电解质垂直相交 的平面上，电极之间的间距S=J1+式=2 mm ；在B型电池上电极是分布在电解质支撑体的同一 个平面上，电极的间距g为2 mm。用Solartron SI 1287电化学界面和SI 1260阻抗谱分 析仪测试电池的性能。图12为两种电池在700 °C的阻抗谱，图13为两电池的输出性能。 其中A型电池的阻抗谱和放电曲线用圆圈型曲线来表示，B型电池的阻抗谱和放电曲线用 方块形曲线来表示。通过图11和图12可以看出B型电池在700 °C的电解质的欧姆阻抗 为9. 98 Ω cm2,电池的最大功率密度为22. 68 mWcm—2 ；而A型电池在700 0C的电解质的欧姆 阻抗仅为5. 57 Ω cm2,电池的最大功率密度也达到了 33. 67 mWcm_2，性能比B型电池提高了 48%，通过实验结果充分表明了本发明中电极的排布在减小电解质的欧姆阻抗中起到了主 导作用。
权利要求
电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池，它由电解质支撑体(1)、阳极(2)和阴极(3)组成，其特征是阳极(2)和阴极(3)分别固定在电解质支撑体(1)相互垂直的两个面上。
2.根据权利要求1所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池， 其特征在于，所述电解质支撑体(1)为长方体、圆柱体或台体。
3.根据权利要求1或2所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电 池，其特征在于，阳极(2)和阴极(3)的截面形状为方形、圆形或圆环形。
4.根据权利要求3所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池， 其特征在于，电解质支撑体(1)的材质为掺杂量为19Γ30% (摩尔)碱土氧化物掺杂氧化锆、 掺杂量为1% 20% (摩尔)稀土氧化物掺杂氧化锆、掺杂量为1°/Γ50% (摩尔)碱土氧化物掺杂 氧化铈或掺杂量为19Γ50% (摩尔)稀土氧化物掺杂氧化铈中的一种。
5.根据权利要求4所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池， 其特征在于，所述碱土氧化物掺杂氧化锆或碱土氧化物掺杂氧化铈中的碱土氧化物均为氧 化镁、氧化钙、氧化锶或氧化钡中的一种。
6.根据权利要求4所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池， 其特征在于，稀土氧化物掺杂氧化锆或稀土氧化物掺杂氧化铈中的稀土氧化物均为氧化 镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化钬、氧化铒、氧化镝、氧化铥、氧化 镱、氧化钇或氧化钪中的一种。
7.根据权利要求1所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池， 其特征在于，阳极(2)的浆料按重量份数比由3 7份的阳极原料和 、份的粘结剂制成。
8.根据权利要求7所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池， 其特征在于，阳极原料为氧化亚镍、氧化铜、氧化钴或氧化铁中的一种；粘结剂按重量份数 比由7 9. 5份松油醇和3 0. 5份乙基纤维素的制成。
9.根据权利要求1所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池， 其特征在于，阴极(3)的浆料按重量份数比由4飞份的阴极材料和6、份的粘结剂制成。
10.根据权利要求9所述的电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电 池，其特征在于，阴极材料为复合氧化物，所述复合氧化物的通式为ABO3或A2BO4,其中的A 为镧系稀土元素或碱土元素，所述镧系稀土为钇、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、镝、钬、铒、铥、镱 或镥，碱土为钙、锶或钡；B为过渡金属元素，所述过渡金属为锰、铁、钴、镍、铜、钛、钒或锌， 0为氧元素；粘结剂按重量份数比由 、. 5份的松油醇和3、. 5的乙基纤维素的制成。全文摘要
电极面相互垂直的电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池，涉及一种电解质支撑单气室固体氧化物燃料电池，它解决了现有电极分布在电解质同一面的同面型单气室固体氧化物燃料物电池欧姆电阻大、输出性能较低的问题。它的阳极和阴极分别固定在电解质支撑体相互垂直的两个面上。本发明适用于各种采用燃料电池供电的场合。
文档编号H01M8/10GK101894962SQ20101024032
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者吕喆, 潘伟平, 王志红, 苏文辉, 魏波, 黄喜强 申请人:哈尔滨工业大学